摆杆长度可变直线电机倒立摆系统

产品概述

可变摆杆直线电机一级倒立摆系统（型号：CVIP）是由工业级高精密直线电机、角度传感器、连续可变摆杆、控制系统和上位机组成。控制系统是基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink开发。该平台结合计算机仿真和嵌入式实时控制技术，能实现硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）设计的功能，是基于模型设计（MBD:Model-Based Design）开发，可以完成如LQR最优控制、模糊控制、滑模控制、神经网络控制等运动控制理论的相关实验平台。

平台控制算法代码完全开源，系统提供典型系统的时域响应和稳定性分析、根轨迹、线性系统矫正、PID控制实验和LQR控制，以及直线电机速度控制和位置跟踪等实验内容。可以作为自动化专业、机电专业、电气专业、机器人等专业中《电机学》、《自动控制原理》、《现代控制理论》、《伺服电机与驱动技术》等课程的配套实验平台，也可作为科研工作者检验自动控制算法的科研平台。

产品特点

摆杆长度可自由伸缩，伸缩长短可定制，方便老师和学生研究在连续可变模型下的系统相关特性实验。支撑系统建模、经典控制理论、现代控制理论、最优控制和智能控制等实验；

（1）开放性。基于TI TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink开放式硬件控制开发平台，研究人员可以开发自主的算法，进行控制，代码均开源，可以在生成的C代码中嵌入研究人员自己编写的代码，实现更复杂的控制算法。采用自主研发的驱动器，支持电流，速度，位置及加速度四种模式的控制。

（2）采用MBD的工程设计方法。从倒立摆的建模、自动控制算法的设计、Simulink仿真，到根据仿真的结果设计实时控制器、自动生成基于模型的代码下载到DSP控制器中进行实时控制，是采用MBD的控制方向理想教学和科研平台。

（3）创新性。通过倒立摆这种复杂的控制对象和便捷的CSPACE控制算法验证开发平台，研究人员可以更好地开发和验证自己的控制算法，产生更多的科研成果，发高水平论文。

（4）工业化和先进的直线电机。采用直线电机直接驱动摆杆，能建立更精确的数学模型；直线电机在精密数控机床、贴片机等应用广泛，可以掌握精密运动控制的设计方法。

（5）配套资料完善。内容详尽的实验教材，内容涵盖直线电机驱动器、运动控制、机电系统建模、经典控制理论实验、现代控制理论实验、最优控制实验和智能控制实验，支持PID、LQR、滑模、模糊、神经网络等控制算法。

（6）丰富的知识点：

1、数学建模：通过建立倒立摆的模型，深入理解拉格朗日系统建模方法，以及把微分方程转变为状态方程的设计方法；

2、自动控制知识：根轨迹实验、PID实验、LQR最优控制实验、模糊控制实验、滑模控制实验、阶跃响应法系统辨识、频率响应法系统辨识、超前滞后校正；

3、建模、仿真、实时控制：熟悉把学习到的高等数学、理论力学、物理学、自动控制、嵌入式系统充分结合起来，从系统建模、MATLAB/Simulink仿真到DSP实时控制实现完美结合，让研究人员充分了解如何把理论分析的结果应用于实时控制；

4、MATLAB/Simulink：利用MATLAB/Simulink工具软件，能提供的仿真和实时控制案例；

5、TI TMS320F28335 DSP的开发与应用：掌握AD、DA、SPI、IO、定时器、RS232、QEP等外设模块的开发和使用。

该系统既可以作为自动化、机器人、机械电子、智能制造、机械工程等专业中的《机电控制系统》、《自动控制原理》、《现代控制工程》、《智能控制理论》、《机器人建模与仿真》、《机器人控制技术》、《计算机控制技术》、《伺服电机及控制》、《机电一体化技术》、《运动控制系统》等课程的配套实验平台，也同时可作为相关领域的高级算法及伺服驱动算法的科研平台。

实验平台组成

开源倒立摆系统主要部件和连接关系如下图所示，分为控制系统和倒立摆本体两部分。

图2倒立摆平台组成

01 倒立摆本体

直线电机倒立摆本体相关参数如下表所示。

表1倒立摆平台技术参数

表1倒立摆平台技术参数

备注：1. 伺服驱动器达到9.2A的峰值电流才能输出这么大的推力，伺服驱动的额定电流为4A，故峰值推力只能达到120N左右；

2. 角度编码器为2500线的，控制器会对AB相输出的增量编码器信号进行四倍频，共有10000个脉冲每圈，分辨率为360/10000。

02 倒立摆控制系统

倒立摆控制系统是基于TMS320F28335 DSP和MATLAB/Simulink开发。拥有AD、DA、IO、Encoder、PWM、CAN、SPI等丰富的硬件外设接口，以及一套功能强大的监控软件。结合计算机仿真和嵌入式实时控制技术，能实现硬件在回路（HIL）和快速控制原型（RCP）设计的功能，也是用于进行基于模型设计（MBD：Model-Based Design）控制系统开发的教学和科研产品。cSPACE控制器如下图所示，控制器参数如表2所示，是可对标国际先进的控制与半实物仿真领域的产品。

   图3 倒立摆控制系统

表2 控制系统技术参数

开发概图

（1）直线电机倒立摆Simulink软件仿真图

图4直线电机一级倒立摆LQR仿真

（2）上位机软件（参数下发、数据采集显示、数据保存等功能）

图5上位机监控软件

（3）电机位置正弦跟踪PID控制实验模型

图6直线电机位置正弦跟踪PID控制模型

实验内容一览

列表3所列实验内容为可以在本平台完成的所有实验列表，所有实验程序均在Matlab/Simulink软件中编写，所有程序源代码均开放，用户可以自由修改，实验均配有演示视频。

表3 实验项目

本科和研究生教学课程：

1. 机器人建模与仿真

2. 自动控制原理

3. 现代控制工程

4. 机器人操作系统

5. 计算机控制技术

6. 智能控制基础与实践

典型教材推荐：

《自动控制原理》 胡寿松 南航教授

《机械工程控制基础》 华中科大 杨叔子 院士

《现代控制理论》 张嗣瀛 中科院院士

《智能控制》（第三版）北航 刘金琨

《MATLAB建模与仿真》 哈尔滨理工大学 副教授，硕导

支撑科研方向：

1. 直线电机高精度轨迹跟踪控制算法研究，通过对负载的质量、质心和惯量等参数进行辨识，结合动力学模型和摩擦模型计算出前馈力矩，反馈至控制器，比较分析后获得控制最佳扭矩，从而使倒立摆获得高轨迹精度。

2. 动力学控制：可研究、摩擦力补偿、惯性力和离心力补偿等对控制的影响。

3. 高级自动控制算法：通过驱动器接口开放和控制器开源的特性，可以验证各种高级算法，如鲁棒控制、自适应控制、滑模控制、神经网络控制等高级控制算法，研究倒立摆在变负载、变杆长等复杂情况下的控制算法的性能。

4. 可伸缩摆杆的倒立摆系统控制算法研究，研究倒立摆在稳摆控制时，摆杆长度的变化对控制算法的鲁棒性研究。

应用案例